刁口水库坝体稳定计算的探讨

□郑　锐（临汾市水利勘测设计院）



刁口水库坝体稳定计算的探讨

□郑锐（临汾市水利勘测设计院）

摘要：刁口水库工程位于临汾市蒲县县城南8km的昕水河支流南川河的屯里沟上，是一座以调蓄中部引黄工程和流域内地表水，为工业及生活供水、农业灌溉的小(1)型水库。刁口水库是山西省大水网中部引黄工程在蒲县拟建的调蓄水库之一，已列入《山西省黄河流域小型水库更新建设规划（2011-2015年）》（晋发改农经发〔2011〕1056号）。

关键词：重力坝；表层抗滑；深层抗滑；抗滑齿槽；工程措施

1　工程概述

蒲县刁口水库位于县城南8 km的昕水河支流南川河的屯里沟上，坝址以上控制流域面积30.60 km2，设计水库总库容191.40万m3，属小（1）型水库。坝体为堆石自密实混凝土重力坝，坝顶全长165 m，宽9 m，坝顶高程1135.00 m，最大坝高40.50 m，大坝自左向右共分为11个坝段，每坝段长15 m。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。防洪标准为30 a一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核。

2　坝址区工程地质

坝址区地层岩性为：三叠系下统刘家沟组(T1l)：以厚层、中厚层细砂岩、粉细砂岩、砾岩为主，夹薄层砂质泥岩、泥、页岩。岩层产状：N33～35°E/NW∠4～11°，倾向左岸偏下游。将刘家沟组基岩划分为4个岩组（T1l1～T1l4）。

在坝轴线上的2个钻孔中未发现泥化夹层，也没有能连起来的泥岩层，说明泥化夹层在坝址区分布不连续，属于局部透镜体状分布。可以说泥化夹层对坝基的抗滑稳定影响较小。坝体建在T1l3砂岩之上，坝基下部砂岩中夹有薄层泥岩，但没有发现有泥化夹层分布，所以坝基产生浅层和深层滑动的可能性较小。但坝基下部有薄层泥岩分布，易产生软化泥化，所以存在滑动的潜在因素。由于岩体中有两组节理裂隙发育，坝基岩层倾向与坝轴夹角15～20°，倾向左岸偏下游，坝基岩体完整性一般，对坝体稳定存在不利影响。

3　坝体稳定计算

3.1坝基表层抗滑稳定计算

混凝土与基岩接触面滑动的计算选取最大坝高断面进行稳定分析，建基面高程为1094.50 m。荷载组合依据规范选取。①基本组合：正常高水位情况，自重+静水压力+泥沙压力+扬压力+浪压力+其他荷载。设计洪水位情况，自重+静水压力+泥沙压力+扬压力+浪压力+其他荷载。正常加冰冻情况，自重+静水压力+泥沙压力+扬压力+冰压力+其他荷载。②特殊组合：校核洪水位情况，自重+静水压力+泥沙压力+扬压力+浪压力+其他荷载。正常加地震情况，自重+静水压力+泥沙压力+扬压力+浪压力+地震荷载+其他荷载。施工完建期情况，自重+其他荷载。

沿垫层混凝土与基岩接触面坝体抗滑稳定计算公式如下：

由计算公式可知，影响重力坝抗滑稳定的主要因素是坝体与地基的抗剪指标、扬压力、竖向水平荷载。因此，采用合理的工程措施可以增加坝体抗滑稳定性：清除第四系松散堆积物和强风化基岩，加强坝基的抗滑稳定性和整体性。

坝基帷幕灌浆。为降低坝基渗透压力，减少坝基渗流量，在坝基轴线下0+003.50处设一排防渗帷幕，由于坝基下相对隔水层埋藏较深，帷幕采用悬挂式。

排水系统设计。坝体排水孔：为了降低坝体内的扬压力，减小渗水对坝体的不利影响，在坝轴线下游3 m处布设φ150无砂混凝土排水管，排水管顶高程1135.00 m，管底伸至纵向廊道，而后接PVC管伸至纵向廊道上游侧排水沟，挡水坝段坝体排水管间距均为3 m。

坝基主排水孔：为减少坝基渗透压力，在坝基桩号0+005设一排φ150PVC主排水孔，孔深15 m，间距3 m,下游倾角15°。坝基渗水通过主排水管流入纵向廊道排水沟，由横向廊道集中排水到下游集水井，并设水泵抽出坝外。

依据规范中的坝体抗滑稳定计算，坝基渗透压力强度系数选取α=0.30，荷载组合考虑正常高水位加排水失效情况，渗透压力强度系数选取α=0.75。其余计算参数依据规范，并结合已有工程及施工地质提供的资料综合考虑选取：坝体高度40.50 m，坝基截面高程1094.50 m，坝前淤沙高程1108 m，坝体容重24 kN/m3，水容重9.81 kN/m3，泥沙浮容重8.50 kN/m3，泥沙内摩擦角14°，混凝土与坝基面抗剪摩擦系数0.50，抗剪断摩擦系数0.70，抗剪断凝聚力0.50 MPa，坝基渗透压力强度系数0.30，坝基排水失效渗透压力强度系数0.75，坝基防渗帷幕位置0+003.50 m处。

表1　沿垫层混凝土与基岩接触面抗滑稳定计算结果表

依据规范规定，按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数K′，基本组合时应≥3.00，特殊组合①时应≥2.50，组合②时应≥2.30；按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数K，基本组合时应≥1.05，特殊组合时应≥1.00。由以上结论可知，除排水失效情况下的抗剪安全系数小于规范要求，其余工况抗滑稳定系数均满足规范要求。

为使排水失效情况下坝体抗滑稳定满足规范要求，经计算，水位为1133.00 m时，K=10.02×10-1，K′=3.94，满足要求。因此水库正常运行库水位超过1133.00 m时，需对坝基排水系统进行检查，对渗流量进行观察记录，做好安全监测确保大坝安全运行。

3.2坝基深层抗滑稳定计算及工程措施

3.2.1坝基深层抗滑稳定计算

据钻孔资料揭露，坝基在建基面以下高程1093.13～1056.11 m，分布有8层泥岩软弱结构面，厚0.06～1.67 m。对坝基稳定性有一定的影响,坝体可能沿基岩软弱夹层滑动，因此有必要进行深层抗滑稳定验算。

根据规范，坝基深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，按抗剪断强度公式计算，采用《理正岩土重力坝设计软件5.5》计算。

抗剪断强度计算公式：

式中，取α=2°，β=45°+φ/2-α=51.40°（φ为岩石内摩擦角取φ=16.7°）；f1=0.25，f2=0.80；（AB面不考虑泥化，取泥夹岩屑中f最小值0.25）C1=20kPa，C=700 kPa（AB面不考虑泥化，取泥夹岩屑中c＇最小值0.02MPa）；令抗力Q为水平方向，即取φ＝0°。

计算结果如表2。

表2　坝基深层抗滑稳定计算成果表

由以上结论可知，坝体沿坝基深层软弱面抗滑稳定安全系数K′在高程1084.64 m处满足规范要求。故需采取加固措施对1084.64 m高程以上软弱面进行处理。

3.2.2工程措施

根据本工程地质剖面图及计算结果，对大坝横向桩号0+060～0+105处设置C20F50W2混凝土抗滑齿槽，切断不稳定软弱夹层，并回填混凝土处理，齿槽深8.50 m，底宽5.00 m，上游侧开挖边坡1:0.30，下游侧开挖边坡1：0.20。

综上所述，坝体深层抗滑稳定满足要求。

4　结语

坝基岩体不同地层内有缓倾角软弱结构面的存在，需根据地质钻孔资料进行逐层试算，确定控制滑裂面进行抗滑稳定计算，采用双滑动面进行抗滑稳定分析。在坝体建基面上设置齿槽，将齿槽的底部高程开挖至控制滑动面以下的完整基岩中，切断软弱结构面，是一种有效且经济的工程措施。但坝体设计断面是由特殊荷载控制的，为保证安全运行，需经常检查排水孔不被堵塞及排水设备、帷幕灌浆功能正常，另外在坝基范围采取固结灌浆、打锚筋等工程措施以进一步增加坝体抗滑的安全储备，并做好安全监测。

（责任编辑：左英勇）

收稿日期：2015-11-16

中图分类号：TV642. 2

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）03-0103-02